微納米氣泡的特性表征研究*

李中楊，廖國柔，詹 興，周鳳鳳

(1 西南科技大學制造科學與工程學院，制造過程測試技術教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010；2 佛山市云米電器科技有限公司創(chuàng)新研究中心實驗室，廣東 佛山 528300)

微納米氣泡(Micro-nano bubble)主要由直徑在1～100 μm的微米氣泡和直徑小于1 μm的納米氣泡組成[1-2]。相比于普通氣泡，微納米氣泡具有獨特的表面物理化學性能[3-4]，如自身體積小、上升速度慢、比表面積大、界面電位高等諸多優(yōu)點，被廣泛地應用在農漁業(yè)[5]、污水處理[6]、土壤凈化等諸多領域，具有廣闊的應用前景。

微納米氣泡產生的主要方式有電解法、超聲空化法、噴射法、溶解釋氣法[7]。而噴射法主要是利用液體流道的急劇縮小，流速增大，根據Bernouli方程，當液流速度達到一定值時，液體內部會產生負壓，此時溶解在液體中的氣會釋放，最終形成微納米氣泡。目前針對微納米氣泡性能的研究受到了國內外眾多學者的密切關注。劉釗等[8]在溶氣法微氣泡生成機理分析的基礎上，進行了空氣和氮氣、氧氣微氣泡生成實驗，總結了不同溶氣氣泡生成規(guī)率；李永健等[4]利用超聲空化和微納米氣泡曝氣器兩種方式產生微納米氣泡，并利用動態(tài)光散射技術對微納米氣泡的粒徑分布、停留時間、ζ電位和·OH等進行了深入研究；廖世雙[9]等通過激光粒度儀，納米粒徑電位分析儀以及表面張力儀等手段研究水力空化過程產生的微納米氣泡性質進行了研究；Sadatomi等[10]采用新型發(fā)生器進行微氣泡生成實驗，研究了管徑比和引氣口位置、數量、尺寸等因素對微氣泡生成數量與尺寸的影響。

綜上所述，當前國內外學者主要采用溶解釋氣法[11-12]對微納米氣泡進行廣泛研究，而采用噴射法產生微納米氣泡的研究還相對較少，因此，本文將基于噴射法產生微納米氣泡，重點探究文丘里管內徑、氣泡發(fā)生器孔徑和級數等因素對微納米氣泡粒徑分布的影響，為后期微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)的理論設計奠定基礎。

1 實驗系統(tǒng)的搭建及粒徑表征

1.1 實驗系統(tǒng)的搭建

微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)主要由減壓閥、文丘里管、單向閥、流量調節(jié)閥、泵(利佳寶，LJB-0865-800G)、壓力表、氣泡發(fā)生器等組成，如圖1所示。其工作原理是依靠文丘里管先對水進行節(jié)流，再利用泵前的負壓實現(xiàn)自動吸氣，通過泵增壓后的溶氣水在多級氣泡發(fā)生器里形成高背壓，因流速增大、壓強降低，使得溶于水中的空氣被大量釋放出來形成微納米氣泡水。

注：1-進水口，2-減壓閥，3-文丘里管，4-單向閥，5-流量調節(jié)閥， 6-進氣口，7-泵，8-壓力表， 9-氣泡發(fā)生器，10-微納米氣泡出口圖1 微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of micro-nano bubble formation system

1.2 微納米氣泡粒徑的表征

采用粒度儀(PARTICLE SIZING SYSTEMS 780SIS、美國，測量精度為0.5～500 μm)對微納米氣泡的粒徑進行表征。首先，設計制備了直徑d為2.7 mm、2.8 mm、2.9 mm的文丘里管內徑和直徑d為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的氣泡發(fā)生器孔徑，隨后啟動微納米氣泡發(fā)生系統(tǒng)，調節(jié)減壓閥和流量調節(jié)閥，系統(tǒng)進行正常工作，迅速產生大量的微納米氣泡；再利用測試吸管取8 mL樣品，并迅速放置于粒徑儀下，測量微納米氣泡的粒徑分布。為了減小測試誤差，同一條件下重復3次，結果取平均值(實驗結果只記錄粒徑≤100 μm的數據)。

2 結果與討論

2.1 文丘里管內徑對粒徑分布的影響

由圖2和圖3可以看出，隨著文丘里管內徑由2.7 mm增至2.9 mm，微納米氣泡粒徑會隨著文丘里管內徑增加呈先減小后增大的趨勢，當文丘里管內徑由2.7 mm增至2.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由10.88 μm先減小至3.069 μm，隨后增大至7.997 μm。這主要是由于內徑的增加，系統(tǒng)背壓會略微降低，更加有利于溶氣水充分混合，微納米氣泡的粒徑會有所減小，當內徑繼續(xù)增至某一值時，背壓會急劇減小，導致微納米氣泡的直徑會有所增大。

圖3 不同內徑下，微納米氣泡直徑累計分布曲線Fig.3 Different inner diameter， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

由圖2還可以看出，微納米氣泡粒徑分布的峰值主要集中在0～10 μm和40～80 μm之間；由圖3還可以看出，當文丘里管內徑為2.8 mm時，直徑小于10 μm的微納米氣泡在總數中所占比例達到90%。

2.2 氣泡發(fā)生器孔徑對粒徑分布的影響

由圖4和圖5可以看出，隨著氣泡發(fā)生器孔徑從0.7 mm增至0.9 mm，微納米氣泡的粒徑會隨著氣泡發(fā)生器孔徑增加呈遞減趨勢。當氣泡發(fā)生器孔徑由0.7 mm增至0.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由4.106 μm減小到2.954 μm。這主要是由于孔徑的增加，系統(tǒng)背壓會略微逐漸降低，有利于溶氣水充分混合，微納米氣泡的粒徑會逐漸減小。

圖4 不同孔徑下，微納米氣泡直徑分布曲線Fig.4 Different aperture， micro-nano bubble diameter distribution curve

圖5 不同孔徑下，微納米氣泡直徑累計分布曲線Fig.5 Different aperture， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

由圖5還可以看出，微納米氣泡分布區(qū)間較窄，其直徑峰值主要集中在0～10 μm之間，且所占氣泡數量的比例將達到96%。

2.3 氣泡發(fā)生器級數對粒徑分布的影響

由圖6和圖7可以看出，隨著氣泡發(fā)生器級數由1級增至3級，微納米氣泡的粒徑隨著氣泡發(fā)生器級數增加基本保持一致，表明氣泡發(fā)生器級數對微納米氣泡粒徑的影響較小。圖6還可以看出，微納米氣泡分布區(qū)間較窄，其直徑峰值主要集中在0～10 μm之間，且所占氣泡數量的比例將達到97%。

圖6 不同級數下，微納米氣泡直徑分布曲線Fig.6 Different levels， micro-nano bubble diameter distribution curve

圖7 不同級數下，微納米氣泡直徑累計分布曲線Fig.7 Different levels， micro-nano bubble diameter cumulative distribution curve

3 結 論

基于噴射法原理，探究了文丘里管內徑、氣泡發(fā)生器孔徑和級數等因素對微納米氣泡粒徑的影響。經實驗測試，得出如下結論：(1)隨著文丘里管內徑由2.7 mm增至2.9 mm，微納米氣泡的粒徑隨著文丘里管內徑增加呈先減小后增大趨勢，當文丘里管內徑由2.7 mm增至2.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由10.88 μm先減小至3.069 μm，后增大至7.997 μm； (2)隨著氣泡發(fā)生器孔徑從0.7 mm增加至0.9 mm，微納米氣泡的粒徑隨著氣泡發(fā)生器孔徑增加呈遞減趨勢，當氣泡發(fā)生器孔徑由0.7 mm增至0.9 mm時，微納米氣泡的平均粒徑由4.106 μm減小至2.954 μm；(3)隨著氣泡發(fā)生器級數由1級增至3級，微納米氣泡的粒徑隨著氣泡發(fā)生器級數增加基本保持一致。綜合上述分析，本研究為微納米氣泡系統(tǒng)的應用提供理論依據，對微納米氣泡系統(tǒng)的進一步設計、優(yōu)化具有重要作用。